数字化虚拟人体研究课件

数字化虚拟人体发文时间：2001年12月28日数字化虚拟人体首都医科大学生物医学工程学院秦笃烈引言医学的发展动力始终和各个时期的高科技密切相关。

一个内涵更加广泛的、包含当代最先进技术和庞大学科群的崭新高科技领域———数字化虚拟人体，已经浮现出地平线。

21世纪的医学将有大的飞跃，这种飞跃的基础是对人体形态和机能的更加深入的定量研究。

经过将近30年在不同领域的发展和酝酿，终于形成了虚拟人体（V irtual Human）或数字化人体（D igital Human）这一共识。

2001年4月21－27日，由斯密森学会组织了诺贝尔周，邀请一批诺贝尔奖得主及其他著名科学家作报告，总题目就是“虚拟人”，副标题为“21世纪科学的领域”。

这次会议的组织意图是将21世纪许多最前沿的学科的成果聚焦到虚拟人的建造上。

从这个意义上讲，这次会议的主题具有新的科学宣言的品位。

虚拟人体的发展已经有几十年历史，到目前为止有以下三个大的信息源头，各自有国际合作网络，他们都有全方位模拟人体的长远计划：1、由美国国立医学图书馆倡议的可视人体项目（V HP），侧重于人体结构的数字化以及相关知识库的研究。

2、美国橡树岭国家实验室提出的虚拟人体（V irtual Human）计划，利用V HP数据侧重人体机能模拟，目前为器官级。

3、由美国科学家联盟提出的数字化人体（ D igital Human）项目，所建造的数字人体信息库是最完整的。

其研究强项是细胞级虚拟人体模拟。

作为科技发展方向，我们可以将这三个部分统称为数字化虚拟人体。

数字化虚拟人体方法论有以下特点：·强调整合。

要及时地将各个领域的研究成果整合到虚拟人体的研究；·人体的全方位模拟。

包括基因、分子、细胞、组织、器官以及全身。

全方位推进工程学方法；·推动人体模拟软件大发展。

推出人体数字图谱、虚拟细胞等软件；·推动尖端研究设备的研制。

·瞄准医学教育和临床的革命性变革。

《科技政策与发展战略》2004年第1期中国数字化虚拟人体研究的发展与应用——香山科学会议第208 次学术讨论会综述以“中国数字化虚拟人体研究的发展与应用”为主题的香山科学会议第208 次学术讨论会于2003年9月9～12日在北京香山举行。

会议聘请第一军医大学钟世镇院士、深圳大学牛憨笨院士、首都医科大学罗述谦教授和中科院计算所李华研究员担任执行主席。

会议的中心议题是：断层解剖数据获取关键技术探索、多光谱探测技术与人体组织信息获取、图形图像处理技术、网格与数据共享、神经与微小器官信息获取等在医学和相关领域的应用。

一、我国数字化虚拟人体研究进展及待解决的问题中科院计算所李华研究员代表会议筹备组作了题为“中国数字化虚拟人体研究的发展与应用”的总评述报告。

报告中指出，我国已经基本掌握了低温冷冻标本切片的加工方法，对于0.1mm或者更薄的高精度断层切片数据的获取有较大的把握。

图像的准确分割是器官和组织三维重建的基础。

如何提高人体切片图像数据图分割的精度和速度是目前公认的瓶颈。

随着切片加工精度的提高，这一问题越来越迫切。

如果以0.1mm间距切片计算，一个完整标本加工将获得大约2万片断层图像。

因此，寻求新的技术方法解决这一问题具有重要意义。

由于不同的人体组织内在的质的不同，采用多光谱技术，其中包括紫外线照射获得人体组织的不同自体荧光图像，期待能够有利于将不同组织区别开来。

深圳大学利用光谱成像技术，找到对于特定组织的特异光谱区间，就可能对神经等组织的分割和建模奠定基础。

在此方面的技术进展，可能使我们处于国际领先的地位。

大规模数据或者海量数据的处理是伴随数字人研究要解决的另一个关键技术。

数字人的研究将伴随庞大的人体信息数据库的建设是显而易见的。

数据量大，层次关系多，数据实体复杂，前所未有。

以目前的实验数据集为例，0.2mm片层间距变为0.1mm间距时，数据量将由目前的近150G 变为1.2T。

如果计及随后重构处理所产生的新数据，整体规模还要成倍增长。

【摘要】数字化虚拟人体是将医学与信息技术、计算机技术、虚拟现实技术相结合的科技前沿性研究课题，是一项信息技术与医学等学科相互交叉、综合发展起来的前沿性交叉学科。

本文介绍了数字化虚拟人体的国内外研究概况及在人体解剖教学中的应用前景。

【关键词】数字化虚拟人体；研究进展；解剖教学数字化虚拟人体就是应用数字图像、图形以及现代计算技术，采用人体解剖学和现代影像学方法，获取人体解剖结构的数据信息，在计算机上建立的全数字化的人体真实结构的三维模型［1］。

这一研究，需要人体解剖学、计算机图形图像学和医学专家协作研究，在获得完整的人体薄层连续断面图像数据集的基础上进行综合研究，建成可视化人体和各种面向应用的虚拟人体模型，为与人体结构有关的领域，如现代临床医学、体育、航空航天、汽车撞击、核武器防护、创伤研究、仿生学、人体器官代用品的研制等，提供基础平台，是具有广阔应用前景的重大课题［2］。

1 数字化虚拟人体研究的国内外进展早在1989年，美国提出了“可视人体计划”［3］。

1991年8月开始进行人体结构数据的采集和三维重构。

美国可视人体计划的实施在全世界引起了巨大反响。

韩国、日本、德国和澳大利亚也纷纷启动了可视人体计划。

其中，韩国可视人体计划的正式实施和取得的阶段性研究结果令人注目。

韩国实施了可视人体5 a计划。

日本2001年启动了为期10 a的人体测量国家数据库建造计划。

这项计划拟于2010年完成7岁～90岁34 000人178个人体部位的测定，制定出日本人的人体标准数据。

这项研究将在众多需要人体数据的领域产生深远影响。

目前日本京华医科大学利用ct和mri影像技术建造了“日本可视人”。

现在国外已经开发了新的计算机人体解剖模拟学习系统，建立了骨骼、肌肉和心脏等部分器官的三维模型，如华盛顿大学开发的数字解剖学家系统、汉堡大学开发的voxel man系统等［4］。

我国于2001年11月5日~7日，在北京香山召开了主题为“中国数字化虚拟人体的科技问题”的第174次香山科学会议，宣布了中国数字化可视人体研究的开始。

论著文章编号:100025404(2003)0520394203首例中国女性数字化可视人体数据集采集与可视化研究张绍祥1,刘正津1,谭立文1,邱明国1,李七渝1,李　恺1,崔高宇1,郭燕丽1,刘光久1,单锦露1,刘继军1,张伟国2,陈金华2,王　健3,陈　伟3,陆　明3,游　箭3,庞学利4,肖　红4,许忠信5,王欲更生5,邓俊辉5,唐泽圣5 [第三军医大学:1基础医学部人体解剖学教研室(计算医学研究室),重庆400038;2附属大坪医院野战外科研究所影像诊断科;重庆400042;3附属西南医院放射科;重庆400038;4附属西南医院肿瘤科放疗中心;重庆400038;5清华大学计算机科学与技术系;北京100084) 提　要:目的　建立中国女性数字化可视人体(Chinese digitized visible human female )。

方法　选择经肉眼观察、CT 和MRI 检查无器质性病变的中等身材、青年女性人体标本1例,经外形测量、血管灌注后,用5%明胶包埋,置入-30℃冰库中冰冻1周,然后在-25℃低温实验室中用TK 26350型数控铣床(铣切精度为01001mm )从头至足逐层铣切。

逐层用高清晰度数码相机摄影,完成人体模型数据获取,得到人体结构数据集。

利用连续断层图像数据,在SGI 图像工作站上,利用本课题组自主开发的三维重建软件包进行人体结构的三维重建和立体显示。

结果　所选用标本为女性,22岁,身高1620mm ,体质量54kg ,非器质性疾病死亡。

CT 扫描层厚:头颈部为110mm ,其他部位为210mm 。

MRI 扫描层厚头部为115mm ,其余部位为310mm 。

连续横断面层厚:头部为0125mm ,其他部位为015mm ,全身共计3640个断面。

数字化摄影分辨率为6291456(3072×2048)像素,每个断面图像文件大小为36M B ,整个数据集数据量为131104G B 。

数字人体建模技术及其应用研究数字人体建模技术是指将人体的各种形态、结构、功能、运动特征等信息，通过数字化手段进行建模、描述、模拟、虚拟演示等。

数字人体建模技术的应用领域非常广泛，涉及医学、电影、游戏、体育、服装、教育等多个领域。

在这些领域中，数字人体建模技术已经成为了重要的研究方向和工具。

下面将从数字人体建模的方法、应用、发展趋势等几个方面进行论述。

数字人体建模的方法数字人体建模技术的方法包括：传感器采集法、数据采集和处理法、图像处理和识别法、数学建模法、仿真和虚拟现实技术等。

传感器采集法是通过传感器采集人体运动状态及生理指标等数据，并通过计算机进行处理，最终完成数字人体建模的方法。

例如，运动员在进行训练或比赛时，可以通过穿戴传感器的方式对其姿态、肌肉运动情况、心率、呼吸等生理指标进行监测和记录，然后通过计算机对数据进行处理，最终完成对运动员的数字人体建模。

数据采集和处理法是通过对人体的各种数据信息进行采集和处理，包括测量人体各个部位的尺寸、角度、形态、质量、密度等，然后通过软件将这些数据转化为数字化的人体模型。

图像处理和识别法是利用计算机视觉技术对人体图像进行处理和识别，实现对人体各种特征的提取、分析和建模。

例如，在面部识别领域，运用了深度学习、图像处理技术等方法，开发出了智能化的人脸识别系统，可以实现对人脸各种特征的快速检测、识别和建模。

数学建模法是将人体各种形态、结构、机能等信息，通过数学建模的方式进行描述和分析。

例如，在医学领域，利用人体生理学、解剖学、生物力学等学科知识，建立了数字人体模型，用于分析人体器官的运动、血液流动、药物代谢等问题。

仿真和虚拟现实技术是利用计算机技术模拟和重现真实场景、环境、物体等的动态过程。

数字人体建模可以通过数字化的仿真和虚拟现实技术，实现对人体的建模和模拟。

例如，在游戏开发、医学教育中，利用虚拟现实技术建立了数字化的人体模型，以实现对人体各种疾病、手术操作等的仿真和模拟。